哈特曼原理子口径斜率扫描检测及误差研究

提出了一种基于哈特曼原理子口径斜率扫描再重构波面的检测方式,研究了一种解决大口径光学系统不同俯仰角下的像质评价的方法。该方法无需同等口径标准镜,通过扫描方式获取波面信息。采用光学软件与数学分析软件通过DDE接口连接进行计算机联合仿真的方式进行探究,仿真光学系统采用主镜720 mm,次镜100 mm的卡塞-格林系统来验证该方法的可行性,利用随机误差注入及多次扫描平均的方法进行了该检测方式中重构波面精度的研究;系统探究了光斑中心提取误差、子口径定位误差、子口径倾斜误差对于该检测方法重构波面精度的影响。给出了该方法仿真结果与光学软件仿真结果的对比,并获取了误差注入时各误差与重构波面精度的物理模型。     

基于Zernike环多项式的环孔径波面拟合方法

波面拟合分析是干涉测量技术中数据处理以得到所需信息和结果的一个重要环节。提出了一种通用的圆和环孔径波面拟合分析方法，选用在单位环域里正交的Zernike环多项式为拟合基函数。对比分析结果不仅表明了所提出方法的有效性和通用性，而且显示出该方法可解决通常的基于Zernike圆多项式干涉图处理软件在拟合分析环孔径波前时存在的问题。     

星载自适应光学系统的双导星信标理论研究

星载相机的波前畸变主要来源于两个部分:由于温度场、重力场变化引起的相机光学系统自畸变;由于大气湍流引起的波前误差。为获得高分辨率的图像,需要校正波前误差。提出一种对星载光学系统波前畸变进行有效探测的技术。星载激光器分时产生钠导星和瑞利导星,前者用于校正自畸变,后者用于校正大气湍流造成的波面像差。针对该方法对激光能量的要求,建立了双导星信标系统的数值模型,并进行仿真。结果表明,该方法对激光器的要求,在目前是可以实现的。该方法可以用于空间相机光学系统的波面畸变探测,从而为星载自适应光学的进一步研究提供依据。     

激光雷达液晶相控阵组件扫描精度分析

扫描精度是激光雷达液晶相控阵扫描组件的一个重要指标.提出了一种对液晶相控阵扫描组件扫描精度误差进行定量计算的方法,利用瑞利-索末菲(Rayleigh-Sommerfeld)公式精确计算出扫描激光束的远场波束,得到角度误差值,采用角度误差值和3 dB主瓣宽度的比值对精度误差进行衡量.利用该方法对电压最化误差、制造误差、高斯预处理三种典型的因素进行了仿真分析,并得到三种误差造成的扫描精度误差量级分别为10-3,10-2,10-5,因此,激光雷达液晶相控阵扫描组件的设计加工必须考虑加工精度对扫描角度的影响.     

高度屈光不正人眼的视网膜自适应成像系统

为了更好的利用液晶自适应成像系统进行具有较大屈光不正人眼像差校正及视网膜的成像,建立了一套基于低阶像差自补偿的眼底自适应成像系统。该系统采用基于人眼调节特性的光学系统进行屈光补偿,用夏克哈特曼波前传感器进行实时的波面探测,将探测所得波前畸变进行波前重构,通过LCOS波前校正器进行高阶像差的波面校正提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差得到有效控制。光学系统的分辨率接近70 lp/mm,已经到达该光学系统的衍射极限分辨。可以得出:液晶自适应视网膜成像系统可以满足高度屈光不正情况下的人眼视网膜成像要求。     

米级光栅全息曝光拼接系统像差分析

全息曝光系统像差对光栅拼接精度及其远场衍射光斑能量分布有直接影响。根据全息曝光拼接方案提出了一种拼接光栅像差分析方法。模拟了全息曝光波面随机初级像差,利用500个曝光波面进行了光栅拼接统计,得到了米量级三拼光栅记录波像差和拼接精度,通过统计分析得到理想拼接情况下拼接引入的像差成份不到整体波面像差的10％。考虑到光栅衍射波像差包括记录像差和光栅基片面形,计算了不同拼接精度情况下一级衍射波面及远场衍射光强分布,对衍射波面PV值、远场光能量比和斯特列而比进行了统计分析,得到了拼接误差与衍射波面及远场光斑之间的关系。在拼缝误差为0．1λ以内时,远场光斑能量集中度和斯特列尔比的变化量可分别控制在5％以内。本文为米量级全息拼接光栅制造提供了理论支撑。     

高精度子孔径拼接中参考面误差的去除方法

基于最小二乘拟合的传统干涉子孔径拼接方法实现了小口径干涉仪对大口径光学元件的检测,然而在子孔径测试过程中,由于干涉仪上的参考面存在面形误差,将使获得的各子孔径的面形数据偏离真实值,所以在进行高精度面形测量时,获得参考面的面形误差并将其补偿掉是非常必要的。因此,提出了一种在拼接过程中用Zernike项对子孔径间重叠区域数据进行拟合的方法来求得参考面面形。首先在传统的目标函数上加入一系列Zernike项表征待求参考面,然后按照最小二乘法对函数进行求解得到各项系数,从而得到拟合的参考面。对平面和球面分别进行了子孔径拼接实验,拟合得到的参考面面形与QED拼接干涉仪计算得到的参考面面形的PV值偏差小于5nm,RMS值偏差小于0.2nm,拼接后的重叠区域不匹配误差值小于10nm。实验结果表明,在子孔径拼接过程中可以补偿参考面误差而得到更真实的拼接面形。     

工件面形的精确测量仿真

对于高精度加工,工件的微小面形偏差的精确测量非常重要。比较了微小面形的两类光学测量仪器,重点介绍了瞬态干涉测量方法。分析了干涉测试中相位展开方式,并将其应用于工件面形的测量中,用单张干涉图实现干涉波前的恢复,获取工件的面形信息。利用GLAD软件进行仿真,模拟了干涉仪对工件面形测量得到的波面干涉条纹图,并利用相位展开方法,读入干涉图样,进行工件的面形重构,获得了初步的仿真测量结果。对比了波面重构前后的工件面形,分析了重构面形失真的原因。     

一种修正子孔径拼接中系统误差的方法

通过对子孔径拼接中系统误差放大效应的分析研究,提出一种修正由干涉仪参考平晶引入的系统误差的方法。该方法只需利用三面互检获取参考平晶在拼接轴上(水平和垂直方向)的面形数据,再用该数据构建参考平晶的面形误差修正波面,即运用Zernike多项式(离焦和像散项)对误差修正波面进行低阶二次曲面的拟合,并在子孔径拼接测量中进行实时修正。实验证明,该方法能够消除由干涉仪参考平晶所引起的系统误差对拼接的影响,有效提高拼接波面的精度。     

基于双模型的综合孔径辐射计成像反演方法

针对综合孔径成像中,基于单一模型的成像反演方法难以有效应对模型误差,进行准确图像重构的问题,提出了一种基于双模型(DM)的综合孔径成像反演方法,用于校正反演模型的参数误差,并对目标场景进行高精度的毫米波图像重构。鉴于傅里叶变换(MFFT)模型和G 矩阵(GM)模型参数敏感性不同的特性,提出的DM方法首先通过比较两种模型的重构误差,对存在误差的成像参数进行准确校正;然后在精确GM模型的基础上,借助改进的正则化方法重建出高精度的目标图像。经仿真实验证明,相比于传统的单模型成像方法,提出的DM方法能够有效校正成像模型的参数误差,并对目标场景进行高精度的毫米波图像重构。     

波前校正的变论域模糊控制方法

自适应光学校正技术中常用的PID控制依赖于变形镜的响应模型,响应模型易受扰动影响因此标定过程较为复杂。针对此问题提出一种不依赖变形镜响应模型的变论域模糊控制方法,将哈特曼重构波前中提取的波面评价指标的残差参数与残差差分参数作为变论域模糊控制器的输入,对输出的比例积分微分参数进行自整定,实现自适应控制。利用Matlab进行变论域模糊控制方法与传统模糊控制方法进行对比的相关仿真。波前校正实验结果表明,变论域方法校正后波面数据优于传统模糊控制方法,波前残差的均方根值也更小。控制器系统性能实验中,传统模糊控制器的超调量偏大,而变论域模糊控制器的超调量几乎为零,调节时间也更短。变论域模糊控制方法在保证系统的鲁棒性,提升系统的快速性的同时,利用参数自整定的特性克服了扰动因素对变形镜响应模型造成的不利影响,提高了校正效率,对于波前校正更具有实用性。     

空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

受大气湍流影响,空间光通信系统中接收光至单模光纤耦合效率降低,根据弱湍流理论,推导了Kolmogorov湍流信道情况下准直高斯光束至单模光纤平均耦合效率表达式,仿真了1 km传输距离下不同接收孔径下平均耦合效率与湍流强度的关系,结果表明:当大气折射率结构常数达到10-12时,耦合效率降到0.1以下,且耦合效率随接收孔径增大而降低。采用37单元自适应光学系统（AO）进行补偿实验,对畸变波前进行重构再利用反射变形镜进行修正的方法,对比不同AO状态下波面图质量及远场长曝光成像及质心位置漂移,发现AO进行低阶像差校正后,波面峰-谷值及标准差减小、斯特列尔比（SR）及耦合效率增加,进行高阶校正后情况进一步改善。     

星间激光通信中的波前传感技术

星间激光通信系统要求发射的激光光束具有高度的平行性。光学衍射极限是光束在有限孔径下所能达到的最小发散度，此时波面具有大约0．3λ的波面相差。针对星间激光通信波面检测领域，较全面地总结了各类现有检测方法及特点，并给出了一种新颖的互补剪切干涉法的结构与应用实例，最后针对星间激光通信光束波面检测的可行性进行了比较。     

大孔径光导天线技术产生太赫兹波的研究

传统的Drude-Lorentz方法只是适用于小孔径光导天线,对于大孔径光导天线,该算式的精确度已经远远不能达到要求。为了深入研究大孔径光导天线技术,在Drude-Lorentz理论的基础上,对光生载流子浓度的计算方法进行了改进,修正了其两个假设条件带来的误差,使之适合大孔径光导天线模拟计算。结果表明,改进的计算模型完全可以对大孔径光导天线进行模拟,并在此基础上分析计算了不同条件下大孔径光导天线的太赫兹辐射场及其频谱的变化,证明了这种新的计算模型可以满足大孔径光导天线太赫兹源的模拟计算的要求。     

机器人、机械手、自动调节、控制与执行机构

0103327子孔径划分对波前重构矩阵病态程度的影响[刊]/张家如//强激光与粒子束.—2000.12(2).—145～148(D)自适应光学中,对于一定的变形镜,波前探测器子孔径的划分方式将对波前重构产生影响。用直接斜率法进行波前重构,采用最小二乘解,并用波前重构矩阵的条件数作为其病态程度的判据。模拟结果表明,子孔径数目的选择对波前重构矩阵的病态程度起决定性的作用;适当的子孔径划分方式可以使波前重构矩阵病态程度大大降低。参2     

基于稀疏贝叶斯学习的超材料孔径计算微波成像系统离网格成像方法

基于超材料孔径的计算微波成像可以看作微波压缩感知成像。这种成像方式的成像效果受网格失配误差的严重影响。该文针对超材料孔径计算微波成像系统对2维场景的重构过程进行分析,构建了一种基于Sinc插值函数的2维离网格(Off-grid)观测模型,并在此基础上提出一种基于稀疏贝叶斯学习的Sinc插值离网格成像方法(OGSISBL)。在期望最大化算法的框架下,恢复散射体回波的幅值和位置,同时校准网格失配误差。通过对超材料孔径计算微波成像系统的仿真数据进行成像处理验证所提算法的性能,结果表明所提算法具有很强的鲁棒性。     

GPU计算液晶自适应光学波前重构的并行性研究

研究了图形处理器(GPU)计算液晶自适应波前重构的并行性。介绍了液晶自适应光学的Zernike模式波前重构算法,论述了GPU的通用架构和GPU实现波前重构的方法。在此基础上提出了利用GPU拥有的RGBA4个颜色通道进行并行计算,进一步加快计算速度,最后给出了实验结果。结果表明:在GPU计算波前重构时,利用RGBA颜色通道的并行计算,将计算速度提高了3倍多。     

主动光学技术在薄镜面中的应用及算法研究

针对采用准zemike多项式拟和法求主动光学校正力的过程中,因为准zernike多项式的不正交性造成求解误差大、求解不稳定的问题,提出了对准zernike多项式进行householder变换的方法.该方法不同于传统的最小二乘法和Gram-Schmidt正交化方法,它避免了因构造法方程组出现严重病态而引入的计算误差.根据该方法求出主镜的刚度矩阵,然后采用阻尼最小二乘法求校正力.基于此方法对直径为400mm的实验镜进行了多次仿真计算,计算结果表明,采用householder变换后波面拟和精确,求解稳定,校正效果较好.     

基于GPU 的液晶大气湍流模拟器的波面生成计算

提出了一种基于GPU 的液晶大气湍流模拟器实时波面生成的计算方法,为了让液晶空间光调制器进行大气湍流类比。依据液晶湍流模拟器高分辨率、高精度的特性讨论CUDA 的算法。此外,建立一种基于GPU 波面生成的模型并进一步对其优化。最后给出使用CPU 和GPU 后的结果并进行类比。结果表明:采用231 项Zernike 系数生成分辨率为256256 的波前所需时间少于2 ms,与传统的采用CPU 生成的方法相比速度提升两个量级,满足实时波面生成的要求。     

基于差分方法的高精度球面调整误差校正

针对高精度球面检测中待测球面调整误差所引入的高阶像差影响,提出了一种基于差分方法的高精度调整误差校正方法。通过对待测球面分别引入两个不同的波前离焦量,对测得的波面数据取差分,由此得到测量中调整误差所引入的高阶像差,并将其从面形数据中分离出来,进而实现高精度的球面调整误差校正。通过Zygo干涉仪对提出方法的可行性进行了实验验证,并给出了实验结果。测量中,对大数值孔径待测球面同时引入波前离焦和倾斜,运用本文方法实现调整误差的校正精度达到了均方根(RMS)为0.001 5λ和峰谷(PV)为0.018 9λ。本文方法无需了解检测系统或待测球面的任何先验信息,并可有效降低对待测球面调整的要求,在实际的高精度球面检测中有很好的适用性。